10永磁材料課件

1、概述永磁材料的理論基礎金屬永磁材料鐵氧體永磁材料第三章 永磁材料第1頁，共118頁。3.1 概述第2頁，共118頁。第3頁，共118頁。應用：精密的儀器儀表；電訊、電聲器件；工業(yè)設備；控制器件；其它器件。作用原理利用永磁材料在給定的空間產(chǎn)生一定的磁場強度；利用永磁合金的磁滯特性產(chǎn)生轉(zhuǎn)動矩，使電能轉(zhuǎn)化為機械能。特點充磁后，去掉外磁場后仍可保留磁性。第4頁，共118頁。3.2.1 永磁材料分類及特性要求3.2.2 永磁材料的矯頑力機理3.2.3 提高永磁特性的措施3.2 永磁材料理論基礎第5頁，共118頁。3.2.1 永磁材料的分類與特性要求什么是永磁材料？常見的磁滯回線是什么樣子？分類特性要求第

2、6頁，共118頁。2、常見的磁滯回線是什么樣子？所謂永磁材料，是指材料被外磁場磁化以后，去掉磁場仍保持著較強的剩磁的磁性材料。什么是永磁材料？第7頁，共118頁。永磁材料可分為： 金屬永磁材料和鐵氧體永磁材料兩大類；金屬永磁材料按不同的分類方法可分許多類。 按成分分：碳鋼、鋁鋁鎳鈷、合金稀土合金按工藝分：鑄造型燒結型粘結型按高矯頑力機理分：單疇型、成核型、釘扎型、高應力型；3 永磁材料分類第8頁，共118頁。4、永磁體的特性要求第9頁，共118頁。4、永磁體的特性要求（1）、對永磁特性參數(shù)的要求剩余磁感應強度高矯頑力HCJ和HCB高（BH）max要大曲線的退磁凸出系數(shù)趨于1，=（BH）m/(B

3、rHc)；穩(wěn)定性好。溫度穩(wěn)定性、磁場穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性（2）、將永磁體選用在最佳工作點，即最大磁能 積點 附近。（3）、經(jīng)濟性好第10頁，共118頁。材料Br(T)BHc(kAm-1)MHc(kAm-1)(BH)max(kJm-3)Br(20100C)d(gcm-3)Tc(C)工作溫度(C)Nd15Fe77B81.25796.0875.6286.5-0.1267.431280Sm2Co171.12533.3549.2246.7-0.038.4820350SmCo50.90636.81194.0143.3-0.048.4740250SrFe12O190.44222.8230.836.6-0.19

4、5.0450100AlNiCo1.15127.4127.487.6-0.027.3800500FeCrCo1.4052.052.547.8-0.037.3850520部分永磁材料的性能第11頁，共118頁。3.2.2 永磁材料矯頑力機理 磁化機理：不可逆壁移、 磁疇內(nèi)磁化矢量的不可逆轉(zhuǎn)動；矯頑力Hc的定義BHc：使磁感應強度B=0所需的磁場值；MHc：使磁感應強度M=0所需的磁場值；第12頁，共118頁。1、單疇型永磁材料的矯頑力磁晶各向異性能決定的矯頑力形狀各向異性能決定的矯頑力2、成核型永磁材料的矯頑力3、釘扎型永磁材料的矯頑力點缺陷釘扎的矯頑力面缺陷釘扎的矯頑力第13頁，共118頁。(1

5、) 單軸晶體材料的矯頑力（RCo5、R2Co17等六角晶系）a 對于單疇顆粒： （當=180） （當=135） 式中 為單疇晶系的磁晶各向異性常數(shù)； 為磁場與易磁化疇間的夾角。 b 對單疇集合體（當不考慮粒子之間的相互作用）： （各向異性） （各向同性）1、單疇型永磁材料的矯頑力磁晶各向異性能決定的矯頑力第14頁，共118頁。第15頁，共118頁。(2) 立方晶體材料的矯頑力：（如AlNiCo、FeCrCo等）a 對于單疇顆粒： b 對單疇集合體（當不考慮粒子之間的相互作用）： ( K1 0,各向同性） 第16頁，共118頁。(1)單疇顆粒： 橢圓形單疇， 時： 式中Nd 為橢圓球短軸 d 方

6、向的退磁因子； Nl為橢球長軸 l 方向的退磁因子。 （2）單疇集合體（當不考慮粒子間的相互作用） （各向異性） （各向同性） 當考慮粒子間相互作用時： （各向異性） （各向同性）1、單疇型永磁材料的矯頑力形狀各向異性能決定的矯頑力第17頁，共118頁。2、成核型永磁材料的矯頑力 磁化時會形成反磁化核，并長大成反磁化疇，出現(xiàn)疇壁，當?shù)拇呕瘓鲞_到臨界場時疇壁迅速移動而實現(xiàn)磁化式中， 臨界場平均值； 疇壁能（密度）； d0 臨界短軸長。（d d0 時，反磁化核才能從長軸和短軸方向長大）。 第18頁，共118頁。3、釘扎型永磁材料的矯頑力疇壁釘扎： 是指在材料反磁化過程中，當反向磁場低于某一釘扎場H

7、p時，疇壁基本上固定不動。只有當反向磁場超過釘扎場Hp時，疇壁才能掙脫束縛，開始發(fā)生不可逆位移。 點缺陷、位錯、晶界、堆垛、層錯等有關的局域性交換作用和局域性各向異性起伏等都可以是疇壁釘扎點的重要來源第19頁，共118頁。3、釘扎型永磁材料的矯頑力（1）點缺陷釘扎的矯頑力 式中， 點缺陷密度； E0 E（y） 的常數(shù)； r疇壁能密度； Lz疇壁在Z方向的尺度 0疇壁基本厚度。 點缺陷越多，與疇壁的相互作用能越大、疇壁越窄，其Hc越高第20頁，共118頁。3、釘扎型永磁材料的矯頑力（2）面缺陷釘扎的矯頑力式中A、K、Ms為均勻區(qū)的磁參數(shù)， A/、K/、M2為缺陷區(qū)的磁參數(shù) 面缺陷的釘扎作用和點缺

8、陷類似，是通過交換作用能、磁晶各向異性能、磁彈性能等的綜合作用，而形成面缺陷與疇壁的相互作用能，使疇壁能最低。面缺陷釘扎疇壁是決定矯頑力的一種普遍機理，適用于金屬用詞和軟磁材料（坡莫合金除外）；疇壁愈薄），面缺陷的影響便愈嚴重，矯頑力愈大；面缺陷內(nèi)的交換能常數(shù)、磁各向異性常數(shù)和飽和磁化強度越小，則矯頑力愈大。 第21頁，共118頁。相變、脫溶和失穩(wěn)分解一、固態(tài)相變1、定義當外界條件（溫度、壓強）作連續(xù)變化時，固體物質(zhì)在確定的條件下，其化學成分或濃度、結構類型、晶體組織、有序度、體積、形狀、物理特性等一項或多項發(fā)生突變。2、相變的驅(qū)動力和阻力 相變的方向 G0 G=VgvVV 驅(qū)動力： Vgv

9、總的化學自由能 阻力：總界面能V和總應變能V3、金屬磁性材料的固態(tài)相變主要通過熱處理工藝來控制。對于軟磁，常通過高溫退火，讓材料在室溫附近保持均勻的單相，使界面能和應變能盡量降低，以獲得高（）和低（Hc），對于永磁常通過淬火和低溫時效處理，讓材料具有多相結構，來提高（Br）和（Hc）。第22頁，共118頁。二、過飽和固溶體的脫溶1、定義：過飽和固溶體析出第二相，而其母相仍然保留，但濃度由過飽和達到飽和的相變。條件 ：固溶度隨溫度、成份、壓強變化。2、分類連續(xù)脫溶不連續(xù)脫溶3、脫溶過程 GP區(qū) “ ：母相 GP區(qū)：溶質(zhì)原子偏聚區(qū) 、“：過渡相 ：新相 平衡相：應變能最小，界面能最高；過渡相；應變

10、能居中而偏高，界面能居中而偏低GP區(qū)：界面能和應變能較小4、脫熔對磁性合金的影響 、金屬軟磁合金使雜質(zhì)從合金中脫熔；控制雜質(zhì)的分布狀態(tài)?？梢杂行У馗纳坪辖鸬能洿盘匦?。 金屬永磁合金脫溶對金屬永磁特性的提高有重要作用，特別是析出硬化磁鋼。第23頁，共118頁。3、脫溶過程 GP區(qū) “ ：母相 GP區(qū)：溶質(zhì)原子偏聚區(qū) 、“：過渡相 ：新相 平衡相：應變能最小，界面能最高；過渡相；應變能居中而偏高，界面能居中而偏低GP區(qū)：界面能和應變能較小4、脫熔對磁性合金的影響 、金屬軟磁合金使雜質(zhì)從合金中脫熔；控制雜質(zhì)的分布狀態(tài)?？梢杂行У馗纳坪辖鸬能洿盘匦浴?金屬永磁合金脫溶對金屬永磁特性的提高有重要作用，特

11、別是析出硬化磁鋼第24頁，共118頁。三、失穩(wěn)分解過飽和固溶體的脫溶大部分為不連續(xù)的局部脫溶，形成非均勻的混合固溶體。但是當合金的成分、系統(tǒng)溫度、壓強、時效時間等條件綜合變化到適當?shù)臓顟B(tài)范圍，也可以發(fā)生全域性均勻的普遍脫熔，也就是發(fā)生勻相轉(zhuǎn)變。其中失穩(wěn)分解就是這種勻相轉(zhuǎn)變中的很重要的一類。1、概念當均勻固溶體中自由能與成份的關系滿足 時，此固溶體就會失去穩(wěn)定，而出現(xiàn)幅度越來越大的成分漲落，并最終分解為兩相。2、特點勻相轉(zhuǎn)變，全域性的均勻、連續(xù)分解，系統(tǒng)中各處幾乎是同時發(fā)生，并非形核成長過程。濃度波幅度越來越大的漲落是依靠逆擴散來進行的。產(chǎn)生的兩相和母相的晶格類型是相同 的，僅晶格常數(shù)稍有偏差。

12、3、對金屬永磁材料的影響分解時，控制磁性相成單疇，或造成對疇壁的釘扎?？墒共牧汐@得極高的矯頑力，具有優(yōu)異的永磁特性。第25頁，共118頁。金屬磁性材料的織構化一、織構化的概念在材料結構一定的情況下，其晶?；虼女犜谝粋€方向上成規(guī)則排列的狀態(tài)，稱為織構。使多晶材料產(chǎn)生織構就是織構化?？棙嫷姆N類：結晶織構磁性織構雙重織構第26頁，共118頁。二、磁性織構的形成、磁場熱處理將磁性材料加熱到居里溫度附近，這時加上直流磁場，讓磁性材料在磁場中保溫一定時間并慢冷（或控速冷卻）到室溫。所加磁場的方向為該材料的宏觀易磁化方向。磁伸縮理論能解釋部分材料的磁場熱處理效果純金屬s0，無磁場熱處理效果合金s0，卻仍然磁

13、場熱處理效果好奈耳谷口原子對方向性有序化理論、磁場成型將具有形狀各向異性的非單疇永磁粉末，在磁場中壓制或成型（擠壓、注塑）制成粘結體，或再經(jīng)適當溫度燒結成永磁體，這些永磁體就具有磁性織構。第27頁，共118頁。二、結晶織構的形成、反復冷軋熱處理 應力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列、定向結晶使磁性合金從熔融狀態(tài)開始，嚴格控制溫度梯度進行冷卻，讓結晶沿一定方向進行，從而得到定向結晶。冷金屬板法發(fā)熱鑄型法蜂巢鑄型法第28頁，共118頁。3.2.4 提高永磁特性的措施 永磁材料磁性的優(yōu)劣主要由最大磁能積（BH）m判定，而（BH）m又取決于Br、Hc及隆起度w。一般Br變化范圍小，如由0.2

14、至1.5T,僅相差約8倍;而 Hc變化范圍大,如由4103至8103安/米,相差200倍, w可在0.0250.85間變化。第29頁，共118頁。一 、 剩磁Br提高MS (MS由成分決定）對于成分給定的永磁材料，提高Br/Bs的比值定向結晶 （鋁鎳鈷系列）磁場熱處理 （鋁鎳鈷系列）磁場成型 結晶定向、磁疇定向第30頁，共118頁。第31頁，共118頁。二、 矯頑力Hc 不可逆壁移 磁疇內(nèi)磁化矢量的不可逆轉(zhuǎn)動是使殘余磁感應強度變?yōu)榱銜r所需的反向磁場的大小，主要依賴增加疇壁位移和疇轉(zhuǎn)的阻力增大Hc值。如果Hc是由壁移機制決定的，可在合金內(nèi)增加應力梯度及非磁性相來增加Hc。這種機制只能獲得較低的H

15、c值若Hc是由疇轉(zhuǎn)過程決定的，則磁疇在不可逆轉(zhuǎn)動過程中受到的阻力就是Hc值的度量。這時依賴于造成單疇粒子或彌散的單疇脫溶相及其三種各向異性（磁晶、應力及形狀）來增加疇轉(zhuǎn)的阻力，從而獲得高的Hc值。第32頁，共118頁。疇壁釘扎：是指在材料反磁化過程中，當反向磁場低于某一釘扎場Hp時，疇壁基本上固定不動。只有當反向磁場超過釘扎場Hp時，疇壁才能掙脫束縛，開始發(fā)生不可逆位移。點缺陷、位錯、晶界、堆垛、層錯等有關的局域性交換作用和局域性各向異性起伏等都可以是疇壁釘扎點的重要來源第33頁，共118頁。三、隆起度組織敏感參數(shù)。 w是永磁材料的晶體織構和磁結構程度的外觀表現(xiàn)?？衫枚ㄏ蚪Y晶，磁場及應力熱處

16、理等方法來提高w 。第34頁，共118頁。四、 穩(wěn)定性 =（Z/Z）100%不可逆變化自然變化可逆變化當條件復原或重新充磁，永磁體的性能可以恢復。如溫度、外磁場干擾、機械沖擊、振動等。第35頁，共118頁。措施： 選擇高的Hc,高f 配方 ，并可添加有益雜質(zhì)，以及利用不同系列合金，正負溫度等效互相補償來提高穩(wěn)定性。時效處理，進行人工老化（時效溫度比工作溫度高3050攝氏度）。溫度 循環(huán)處理，在比工作溫度范圍寬的溫度，反復循環(huán)多次。交流退磁處理，在比干擾場稍大的交流磁場中退磁。正確選擇永磁體的工作點。利用熱磁合金進行外補償，可以提高溫度穩(wěn)定性。 第36頁，共118頁。3.3金屬永磁材料3.3.1

17、 發(fā)展概述 3.3.2 金屬永磁材料3.3.2 稀土永磁材料 第37頁，共118頁。3.3.1 發(fā)展概述1880年，碳鋼，1931年，鋁鎳鐵、鋁鎳鈷等 20世紀30年代，鐵氧體20世紀60年代，Sm-Co系稀土永磁材料20世紀80年代，Nd-Fe-B系稀土永磁材料近年來， 交換耦合作用機制的納米雙相永磁材料 RE-Fe-N系永磁體第38頁，共118頁。3.3.2 金屬永磁材料3.3.2.1 淬火硬化型磁鋼3.3.2.2 析出硬化型磁鋼3.3.2.3 時效硬化型磁鋼第39頁，共118頁。3.3.2.1 淬火硬化型磁鋼這一類材料主要包括碳鋼、鎢鋼、鈷鋼和鋁鋼等；矯頑力主要通過高溫淬火手段這類材料已

18、很少使用第40頁，共118頁。3.3.2.2 析出硬化型磁鋼這一類材料主要包括Fe-Cu、 Fe-Co和 Al-Ni-Co三類；Fe-Cu主要用于鐵簧繼電器等方面；Fe-Co主要用于某些存儲單元；Al-Ni-Co系在20世紀70年代幾乎成了永磁材料的代名詞第41頁，共118頁。第42頁，共118頁。第43頁，共118頁。矯頑力機理第44頁，共118頁。Al-Ni-Co永磁材料的矯頑力機理析出硬化型永磁材料，又稱沉淀硬化型磁鋼，其矯頑力是在合金冷卻過程中獲得的，通過失穩(wěn)分解沉淀出近似單疇大小的伸長形磁性相彌散分布于弱磁性相中，利用磁性相的形狀各向異性，其反磁化依靠磁矩的非均勻轉(zhuǎn)動。Hc是由疇轉(zhuǎn)過

19、程決定的，則磁疇在不可逆轉(zhuǎn)動過程中受到的阻力就是Hc值的度量。這時依賴于造成單疇粒子或彌散的單疇脫溶相及其三種各向異性（磁晶、應力及形狀）來增加疇轉(zhuǎn)的阻力，從而獲得高的Hc值。Hc立方晶系單疇顆粒第45頁，共118頁。Al-Ni-Co永磁材料的制備工藝各向異性鋁鎳鈷永磁體的制備工藝如下：主要包括配料、熔煉、固溶化處理、熱處理等如何通過控制制備工藝過程獲得高Hc的鋁鎳鈷材料？工藝進程中的每一步分別起什么作用？第46頁，共118頁。配料：成分優(yōu)化設計熔煉：均勻化固溶化處理：形成單相固溶體磁場熱處理：發(fā)生失穩(wěn)分解（ 1、 2 ），同時形成磁性織構時效處理：調(diào)整兩相間化學成分的濃度，提高永磁性能主配方

20、其它合金元素在合金中添加Nb(0.51%)，B(0.05%)元素可提高密度和磁性能，添加S(0.5%)、Hf(0.5%)元素可減低合金脆性，改善加工性能，添加Si(1%)、Bi(0.13%)和Te(0.53.0%)元素則可促進柱狀晶長大，磁性能提高。 第47頁，共118頁。 在實際應用中，AlNiCo合金有AlNiCo5和AlNiCo8兩種，AlNiCo5的成份為14.5%Ni8%Al24%Co3%Cu余Feat%，AlNiCo8的成份為1415%Ni78Al% 34% Co 3% Cu 5% Ti余Fe at% 合金從高溫冷卻到900附近時，為單相固溶體，繼續(xù)冷卻并適當控制冷速的情況下，于8

21、50以下發(fā)生失穩(wěn)分解，分解為兩相12，其析出相1和基體相2是共晶格的，分解初期沒有明顯的相界面，1和2兩相均仍屬體心立方，其晶格常數(shù)a都為2.87左右，合金內(nèi)部形成組元濃度周期性起伏的調(diào)幅結構。當于600進行回火時，合金中不僅發(fā)生1相長大(呈伸長形)，同時由于2相中過溶的Fe和Co在回火溫度下容易向1相中擴散，即發(fā)生回溶現(xiàn)象，另一方面，1相又將過溶的Ni和Al擴散到2相，發(fā)生Ni、Al的脫溶，使合金中1和2相之間的成份和磁化強度差別增大，從而導致合金獲得良好的永磁性能。 研究表明，高溫固熔后的AlNiCo合金在900780的控速冷卻過程中，如果對合金外加磁場，即進行磁場熱處理，則合金的磁滯回線

22、將發(fā)生顯著的變化，尤其是退磁曲線的凸出系數(shù)明顯提高，這是由于合金中形成了磁性織構的緣故，1相的長軸順著磁場方向排列，具有感生單軸各向異性，影響磁場熱處理效果的因素有三個：磁場熱處理的有效溫度范圍；冷卻速度；外加磁場大小 第48頁，共118頁。 AlNiFe系合金：主要成份是Fe55-70at%，Ni 2035at%, Al 1016at%，還可添加少量其他元素。含有5060%Fe的AlNiFe三元合金在1000以上是單相的固溶體，晶體結構為體心立方結構，a=2.87;在900以下時，分解為兩相12，其中鐵磁性相1顆粒尺寸很小，近似單疇尺寸，且具有形狀各向異性，1相均勻彌散分布于弱磁性2相基體中

23、，由2相將1相分割包圍，使得磁化和反磁化過程只有通過磁化矢量的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，故而獲得高矯頑力。特別注意的是，在AlNiFe系合金的制造工藝中，可以通過控制冷卻速度來實現(xiàn)1+2析出或分解過程的控制，而獲得最佳永磁特性的冷卻速度稱為臨界冷卻速度，它與相分解的相變溫度和合金成份兩個因素有關 第49頁，共118頁。鑄造鋁鎳鈷合金永磁的磁能第50頁，共118頁。3.3.2.3 時效硬化型永磁合金這類合金機械性能好，可通過沖壓、軋制、車削等手段加工成各種帶材、片材和板材；介紹幾種有代表性的可加工永磁合金 -鐵基合金，包括鈷鉬、鐵鎢鈷和鐵鉬鈷等合金，其磁能積較低，用在電話接收機中；鐵錳鈦和鐵鈷釩合金；主要用于

24、指南針和儀表零件；銅基合金，主要有銅鎳鐵和銅鎳鈷，可用于測速儀和轉(zhuǎn)速計；Fe-Cr-Co系合金，其永磁性能類似于AlNiCo永磁合金，主要用于揚聲器、電度表、轉(zhuǎn)速表、陀螺儀、空氣濾波器和磁顯示器等方面。第51頁，共118頁。第52頁，共118頁。3.3.2.4 有序硬化型永磁合金這類永磁合金包括銀錳鋁、鈷鉑、鐵鉑、錳鋁和錳鋁碳合金。這類合金的顯著特點是在高溫下處于無序狀態(tài)，經(jīng)過適當?shù)拇慊鸷突鼗鸷螅蔁o序相中析出彌散分布的有序相，從而提高了合金的矯頑力。這類合金一般用來制造磁性彈簧，小型儀表元件和小型磁力馬達的磁系統(tǒng)等。第53頁，共118頁。3.3.3 稀土永磁合金是稀土金屬和過渡族金屬形成的金

25、屬間化合物。是目前具有最高永磁特性的永磁材料。近幾十年，稀土永磁材目前在科研、生產(chǎn)和應用方面得到了很大的發(fā)展，其應用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟各個領域，成為當代新技術的重要物質(zhì)基礎。自20世紀60年代起，已經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展： 六十年代第一代稀土永磁（1:5型R-Co永磁）七十年代第二代稀土永磁（2:17型R-Co永磁）八十年代第三代稀土永磁（R-Fe-B永磁）第54頁，共118頁。第55頁，共118頁。我國稀土永磁材料發(fā)展概況第56頁，共118頁。這類稀土永磁中最先出現(xiàn)的是SmCo5，其永磁性能優(yōu)良，但由于其中含稀缺、昂貴的Sm和Co，造成SmCo5價格較高，故而人們努力用儲量較多的富稀土元素取代

26、Sm，用Cu、Fe等取代Co，因此又相繼發(fā)展了PrCo5、(SmPr)Co5以及Ce(Co、Cu、Fe)5等永磁材料 3.3.3.1 RCo5型稀土永磁材料 第57頁，共118頁。Sm-Co之間可形成七種金屬間化合物(Sm2Co17 、 SmCo5 、 Sm2Co7 、 SmCo3 、 SmCo2 、 Sm4Co9 )；RCo5型稀土永磁材料具有CaCu5型晶體結構，屬六角晶系 ，由Co原子層和Co、R混合原子層相間重疊而成，其C軸為易磁化軸；在RCo5型中，SmCo5具有最高的磁晶各向異性常數(shù)，K(1519)103 kJm-3，HA=31840kAm-1,Tc=740，Ms=890kAm-1

27、 SmCo5永磁性能：Br=1.07T，BHc=851.7kAm-1、MHc=1273.6kAm-1，(BH)max=227.6kJm-3可在-50150范圍內(nèi)工作 一、SmCo5 永磁材料成分和結構第58頁，共118頁。二、 SmCo5 永磁矯頑力機理單疇矯頑力理論單疇顆粒和磁化強度可近似看做均勻轉(zhuǎn)動，它的Hcj和Ku成正比。實際情況這類合金的矯頑力比理論值低得多（十分之一）。 SmCo5單疇臨界尺寸為d0=0.31.6m,而實際獲得最高矯頑力的顆粒尺寸D=520m。且Hcj和Ku不成正比。晶界、晶體缺陷和第二相對疇壁的釘扎效應由反磁化疇的形核與長大的臨界場Hs決定？單軸晶體材料的矯頑力（R

28、Co5、R2Co17等六角晶系）a 對于單疇顆粒： （當=180） （當=135） 理論值認為是由于第二相(如沉淀相Sm2Co7)成為反磁化核，故而材料的MHc由反磁化疇的形核與長大的臨界場決定，計算得知沉淀相的形核場Hn大約為796km-1，這與實驗值吻合很好，由此看來，反磁化核主要在沉淀相的相界面形成。第59頁，共118頁。第60頁，共118頁。 熱處理對SmCo5矯頑力的影響第61頁，共118頁。燒結溫度（C）11201130114011501160Br(T)0.7900.7950.8200.9100.905BHc(kAm-1)597.0620.8624.9684.6581.0(BH)m

29、ax(kJm-3)120.2124.9129.7159.2143.3燒結溫度對SmCo5磁性能的影響第62頁，共118頁。 1. 粉末冶金法： 配料熔煉磨粉磁場成型燒結熱處理磨加工檢驗 2.還原擴散法： 原料準備混料還原擴散去除鈣和氧化鈣磨料干燥磁場成型燒結熱處理磨加工檢驗 SmCo5永磁材料制備認識方法與工藝注意的問題： 由于稀土元素容易揮發(fā)和氧化，在配方時應補足可能發(fā)生的損 失量，以免成份偏析； 制粉應在介質(zhì)(如甲苯、航空汽油等)保護下進行振動球磨； 燒結中應添加適量的液相合金(如60wt%Sm+40wt%Co)并注意 控制燒結溫度和降溫模式。表8.3.2列出了不同燒結溫度下SmCo5的

30、磁性能，可見1150燒結時，材料磁性能最好； SmCo5永磁在500800范圍內(nèi)回火或在此區(qū)間緩慢冷卻，其矯頑 力大幅度降低，這稱為“750回火效應”，若再在900950加熱并 淬火時，其矯頑力又可部分或全部回復，這一現(xiàn)象在其它RCo5永磁 中也存在 第63頁，共118頁。3.3.2 R2TM17型稀土永磁R2TM17多數(shù)屬于菱方晶系Sm2Co17是稀土永磁合金中磁穩(wěn)定性最好的一種，居里溫度很高，Tc=926，對于高溫下的應用具有重要的意義。單相型R2（Co、Fe）17永磁的矯頑力由反磁化疇的形核、長大的臨界場決定，其性能不高，工藝不易控制。以Sm-Co-Cu三元系為基礎發(fā)展起來的2：17型稀

31、土永磁，是時效硬化型材料，其中，Sm-Co-Cu-Fe-M系2 ： 17型 永磁，代表第二代稀土永磁，已在工業(yè)上得到廣泛應用。其中Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17合金的磁性能最好，并已商品化第64頁，共118頁。一、Sm2Co17 永磁材料成分和結構第65頁，共118頁。第66頁，共118頁。這種合金的成分可表達為：Sm（Co1-u-v-wCuuFevMw）z其中：=7.08.3，W=0.010.03，u=0.050.08，v=0.150.30，M=Zr、Hf、Ti、Ni等金屬原子。Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17合金磁性能最好，Br0.91.197T、BHc493.5796kAm-1

32、、MHc525.32388kAm-1、(BH)max 175.1251.5kJm-3,Tc840870，Br=-0.002%-1，可在-60350范圍工作，其缺點是Sm和Co的含量仍然較高，并且工藝復雜。 第67頁，共118頁。合金元素對合金性能的影響1、Sm含量對合金性能的影響對合金的矯頑力影響很大，同時也影響退磁曲線的方形度。2、Fe含量對合金性能的影響隨Fe含量的增加，合金的Bs迅速提高；同時Fe有促進胞狀組織形成的作用，隨Fe含量的增加，Hcj也提高。3、Cu含量對合金性能的影響隨Cu含量的增加，合金的Hcj迅速提高;而Br和K下降。4、Zr含量對合金性能的影響提高Hcj和退磁曲線方形

33、度起關鍵作用。同時含Zr的合金的矯頑力 對熱處理工藝十分敏感；Zr加入，可使合金中Fe含量增加，而使Cu和Sm含量減少。第68頁，共118頁。二、 Sm2Co17 永磁矯頑力機理？單軸晶體材料的矯頑力（RCo5、R2Co17等六角晶系）a 對于單疇顆粒： （當=180） （當=135） 理論值目前普遍認為，Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17型稀土永磁合金的矯頑力是沉淀相對疇壁的釘扎來決定的.第69頁，共118頁。矯頑力相關研究第70頁，共118頁。Sm2Co17永磁材料制備方法與工藝第71頁，共118頁。Sm2（Co、Cu、Fe、Zr）17永磁合金的熱處理11901220/燒結12h1130

34、1175/固溶處理0.52h后快冷750850/等溫時效0.510h分級時效或控速冷卻第72頁，共118頁。熱處理工藝12345830C0.5hr1+700C0.5hr2+600C1hr3+500C2hr4+400C10hrBr(T)1.181.171.161.151.15BHc(kAm-1)222.8342.3382.0413.9429.8(BH)max(kJm-3)159.9191.0206.9214.9222.825.5Sm-50Co-8Cu-15Fe-1.5Zr合金磁性能隨時效處理的變化 第73頁，共118頁。第74頁，共118頁。3.3.3 Nd-Fe-B系稀土永磁一、 R-Fe-B

35、磁體的特征二、Nd-Fe-B磁體的成分和結構三、 Nd-Fe-B磁體的制備四、矯頑力機理五、穩(wěn)定性第75頁，共118頁。第三代鐵基稀土永磁，不含戰(zhàn)略物質(zhì)Co和Ni；自1983年開發(fā)以來，已由R-Fe-B三元系發(fā)展到（Nd、HR）-FeM1M2-B七元系合金；生產(chǎn)工藝多種多樣，如燒結法、熔體快淬法、粘結法、機械合金化法等。它能吸起相當于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍；居里溫度不高，穩(wěn)定性差。第76頁，共118頁。一、 R-Fe-B磁體的特征與現(xiàn)狀燒結磁體粘結磁體第77頁，共118頁。 從制造方法上來說，Nd-Fe-B系永磁材料主要包括：燒結永磁和粘結永磁 第78頁，共118頁

36、。燒結Nd-Fe-B永磁材料的生產(chǎn)技術與性能已基本趨于完善，磁能積的實驗值己達到理論值的80%以上。燒結Nd-Fe-B永磁材料已經(jīng)在汽車、計算機、通訊、醫(yī)療、儀器儀表、家用電器等領域中得到廣泛應用。隨著工業(yè)自動化和信息技術的蓬勃發(fā)展，欽鐵硼永磁材料在計算機、工業(yè)自動化、通訊、交通、醫(yī)療、航空航天等的領域得到廣泛應用。在高新技術領域，對高性能欽鐵硼磁體的需求日益增長，用它制成的器件具有性能優(yōu)異、重量輕、體積小、能量大、節(jié)能、增效等一系列優(yōu)點。燒結磁體第79頁，共118頁。粘結Nd-Fe-B永磁體可一次成型，具有尺寸精度高，不變形，無需二次加工、形態(tài)自由度；便于大批量自動化生產(chǎn)；磁性能一致、機械強

37、度高，密度小，耐腐蝕等；廣泛應用于辦公自動化、儀器儀表、計算機、通訊、汽車等領域.隨著科學技術尤其是電子信息技術的飛速發(fā)展，市場對磁性材料及磁性元件在形狀復雜度、尺寸精度、小型化、輕量化、智能化、整體成形化等方面提出了更高的要求，這為粉末注射成型技術在永磁材料行業(yè)的應用提供了巨大的機會 粘結磁體第80頁，共118頁。二、Nd-Fe-B永磁的成分和結構1、成分Nd11.76+xFe82.35-x-yB5.88+y,大約為Nd15Fe77B8，以Nd2Fe14B化合物為基，并富B和富Nd。2、結構第81頁，共118頁。2、結構（1）Nd2Fe14B四方相、富Nd相和富B相Nd2Fe14B化合物一個

38、單胞中由4個分子組成，有68個原子；它們構成四方結構，易磁化軸為c軸；鐵磁性。（2）富Nd相，沿晶粒邊界分布，其作用為：能助熔促進燒結，使磁體致密化，Br提高沿晶界分布，有利于矯頑力的提高。易氧化，抗蝕性差。（3）富B相，大部分沿晶界分布。B為四方相形成的關鍵，但過多會 使合金的Br下降。第82頁，共118頁。第83頁，共118頁。三、Nd-Fe-B磁體的制備粘結磁體的制備燒結磁體的制備第84頁，共118頁。（一）粘結磁體的制備磁粉制備磁體制備什么是粘結磁體？第85頁，共118頁。磁粉制備工藝主要包括：母合金制備、快淬薄帶、晶化、破碎、熱處理等第86頁，共118頁。第87頁，共118頁。第88

39、頁，共118頁。第89頁，共118頁。第90頁，共118頁。第91頁，共118頁。第92頁，共118頁。第93頁，共118頁。磁體的制備粘結磁體是由水磁體粉末與可撓性好的橡膠或質(zhì)硬量輕的塑料、橡膠等粘結材料相混合，按用戶需求直接成型為各種形狀的水磁部件。但同時由于粘接劑的加入水磁體的最大磁能積和磁化強度等出現(xiàn)一定程度的下降。粘結磁體的磁粉通常通過熔體決淬的方法制備。磁粉粒度、粘結劑的添加量、成形壓力和固化溫度等都是影響磁體最終性能的重要因素。 粘結磁體制備第94頁，共118頁。（二） 燒結磁體的制備第95頁，共118頁。四、Nd-Fe-B磁體的磁性能內(nèi)稟磁性磁體的制備居里溫度各向異性場飽和磁化

40、強度第96頁，共118頁。居里溫度內(nèi)稟磁性第97頁，共118頁。飽和磁化強度內(nèi)稟磁性第98頁，共118頁。各向異性場內(nèi)稟磁性第99頁，共118頁。Nd2Fe14B硬磁相的內(nèi)稟磁性參數(shù)：居里溫度：585K室溫下各向異性常數(shù)K1=4.2MJ/m3、 K2=0.7MJ/m3，各向 異性場為6.7T室溫下餉磁化強度為1.61T;單疇粒子的臨界尺寸為0.3m;調(diào)控微觀結構及形貌成分結構優(yōu)異永磁性能第100頁，共118頁。 富Nd相，沿晶粒邊界分布，其作用為： 能助熔促進燒結，使磁體致密化，Br提高沿晶界分布，有利于矯頑力的提高。易氧化，抗蝕性差。 富B相，大部分沿晶界分布。B為四方相形成的關鍵，但過多會

41、 使合金的Br下降。第101頁，共118頁。第102頁，共118頁。第103頁，共118頁。第104頁，共118頁。第105頁，共118頁。第106頁，共118頁。第107頁，共118頁。四、矯頑力機理認為普遍由于疇壁位移機理引起的。但到底是成核型硬化還是釘扎型硬化目前尚有爭論；多數(shù)人認為為成核型，且與溫度范圍有關；對于燒結型NdFeB，370K以下為成核型， 370K以上為釘扎型；快淬型NdFeB，520K以下為成核型， 520K以上為釘扎型；顯微結構、相結構、磁結構等第108頁，共118頁。五、穩(wěn)定性 目前，R-Fe-B系合金的缺點是磁穩(wěn)定性差， Nd-Fe-B三元系永磁材料在20100范圍內(nèi)，磁感溫度系數(shù)為Sm-Co合金的35倍，矯頑力溫度系數(shù)為Sm-Co合金的23倍。原因合金的居里溫度不高Nd和Fe都比較易氧化和腐蝕第109頁，共118頁。提高其穩(wěn)定性的措施提高合金本身的耐蝕性磁體表面形成保護膜降低環(huán)境溫度1、提高合金本身的耐蝕性添加Al、Nb、Ga、Dy等元素，減緩氧化速度，提高矯頑力；添加Co以提高Tc；減少原料中和氯離子2、磁體表面形成保護膜金屬涂層無機涂層有機涂層第110頁，共118頁。第111頁，共118頁。3.4 雙相納米晶復合永磁材料3.4.1 引言3.4.2 理論基